Auf dem Weg zu großer EntdeckungPhysik-Sensation: Forscher fangen Antimaterie-Partikel ein
Warum existiert das Universum überhaupt? Diese Frage treibt Physiker seit Jahrzehnten um. Nun bannen Forscher ein einzelnes Antiteilchen monatelang in eine Falle und wollen ihm sein größtes Geheimnis entlocken. Ein Vergleich mit dem Elektron könnte alles umwerfen.
Seit Monaten sitzt ein Elementarteilchen in der Falle: Einem Forschungsteam in den USA ist es erstmals gelungen, ein Positron – das Antiteilchen des Elektrons – über einen langen Zeitraum einzusperren und kontrolliert zu manipulieren. Damit eröffne sich die Möglichkeit, mit bislang unerreichter Genauigkeit nach Unterschieden zwischen Elektronen und Positronen zu suchen, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Physical Review Letters“.
Alle Materie im Kosmos besteht aus winzigen Teilchen. Atome besitzen im Zentrum einen Kern aus Protonen und Neutronen, die sich ihrerseits wieder aus Quarks zusammensetzen. Eingehüllt ist der Atomkern in eine Wolke aus Elektronen. Das sogenannte „Standardmodell“ beschreibt alle bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Und zwar überaus erfolgreich: Bislang ist es mit keinem Experiment gelungen, eine Abweichung vom Standardmodell aufzuspüren.
Wo ist die Lücke im Modell?
„Wir wissen, dass das Standardmodell irgendwo falsch – oder zumindest unvollständig – sein muss“, erläutert Gerald Gabrielse von der Northwestern University in den USA. „Es kann beispielsweise nicht erklären, warum das Universum existiert. Und das ist eine ziemlich große Lücke!“ Im Standardmodell nämlich gibt es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen. Kommen die beiden sich zu nahe, vernichten sie sich gegenseitig – die Forscher sprechen von „Annihilation“ – in einem Strahlungsblitz.
„Das große Rätsel ist, dass der Urknall eigentlich gleiche Mengen an Teilchen und Antiteilchen hätte erzeugen müssen“, so Gabrielse weiter. Doch dann würden sich Teilchen und Antiteilchen vollständig gegenseitig vernichten. „Es bliebe nichts übrig. Offensichtlich stimmt etwas mit dieser Theorie nicht, und genau das versuchen wir herauszufinden.“
Benimmkurs in der Vakuumfalle
In der Natur entstehen Positronen beim radioaktiven Zerfall. Doch sie überleben nicht lange, da sie in der umgebenden Materie schnell auf Elektronen stoßen und in einem Strahlungsblitz verschwinden. Gabrielse und seine Kollegen haben Positronen in ein Vakuum gelenkt, um diese Annihilation zu vermeiden, und bremsten sie dann mit magnetischen und elektrischen Feldern ab. Schließlich gelang es ihnen auf diese Weise, ein einzelnes Positron in einer Vakuumfalle einzufangen und zum Stillstand zu bringen.
Nicht völlig zum Stillstand: Da das Positron elektrisch geladen ist, führt es im Magnetfeld der Falle eine winzige Kreisbewegung aus. „Wir haben das zunächst sehr schnelle Positron tatsächlich dazu gebracht, monatelang ruhig zu verharren und sich ordentlich zu benehmen“, so Gabrielse. So ordentlich, dass die Forscher mit dem einzelnen Positron experimentieren konnten.
Im Gegensatz etwa zu Planeten, die einen Stern umkreisen, kann ein Positron im Magnetfeld keine beliebige Kreisbahn ausführen. Es nimmt zunächst einen „Grundzustand“ ein, in dem seine Bewegungsenergie den niedrigsten, nach den Gesetzen der Quantenphysik möglichen Wert besitzt. Mithilfe von Mikrowellen gelang es dem Team, das Positron in „angeregte“ Zustände zu überführen, also auf energiereichere Kreisbahnen. Das Positron verhielt sich dabei erwartungsgemäß genau wie ein Elektron.
Hoffen auf einen Sensationsfund
Im nächsten Schritt wollen Gabrielse und seine Kollegen jetzt das vom Positron erzeugte Magnetfeld messen. Eine bewegte elektrische Ladung erzeugt nach den Gesetzen der Physik ein Magnetfeld. Und da sich Positronen – genau wie Elektronen – drehen, haben sie auch ein „magnetisches Moment“. Das magnetische Moment des Elektrons ist inzwischen mit der immensen Genauigkeit von 1 zu 10 Billionen bekannt.
Eine solch genaue Messung wollen die Forscher nun auch am Positron durchführen – und hoffen darauf, hier auf einen, wenn auch winzigen, Unterschied zum Elektron zu stoßen. „Das Standardmodell geht davon aus, dass es keinen Unterschied zwischen den beiden Messungen geben wird“, so Gabrielse. „Sollten sie sich jedoch als ungleich erweisen, wäre das die größte Entdeckung in der Physik der letzten 100 Jahre.“
